Kvantitunnelointi on yksi mielenkiintoisimmista asioista, joita fyysikot tutkivat …
Kuvittele tennispallo lyövän seinään. Olemme tottuneet tilanteeseen, että hän poistuu tästä seinästä. Kvantimaailman outon luonteen vuoksi on kuitenkin teknisesti tilastollinen todennäköisyys, että pallo päätyy esteen toiselle puolelle tai jopa itse seinämään.
Tässä emme puhu siitä, että pallo menee ainakin seinän läpi, tämä ei ole täysin totta …
Mitä voi tapahtua makrotasolla?
Jos makrotasolla tapahtuisi outo tapaus kvantitunneloinnista, pallo voisi yhtäkkiä kadota, kun se tulee lähelle seinää, ja sitten näkyä heti uudelleen toiselle puolelle, kun taas seinä itse ja pallo olisivat ihannetiloissaan. Tietysti mahdollisuudet, että tämä tapahtuu, ovat erittäin pienet. Siitä on kuitenkin tilastollinen todennäköisyys, mutta teoriassa se voisi tapahtua.
Syynä tähän on kvantimaailman todennäköisyysluonne. Kuten Werner Heisenbergin epävarmuusperiaate osoittaa, hiukkasen sijaintia ja vauhtia ei voida tietää samanaikaisesti. Jos esimerkiksi tiedät elektronin sijainnin, et voi tietää sen nopeutta, ja jos tiedät nopeuden, et voi tietää sen sijaintia avaruudessa. Tämän takia todennäköisyyksillä käytetään "arvaamaan" missä hiukkas voi olla tietyssä ajankohdassa: elektronilla voi olla suuri todennäköisyys olla yhdessä paikassa, eikä toisessa. Nämä todennäköisyydet luovat niin kutsuttua "todennäköisyyspilviä".
Mainosvideo:
Todennäköisyyspilvi ja kvantitunnelointi
Kuten kuvasta voi nähdä, elektronin mahdollisuudet olla pilven keskellä ovat suuremmat kuin reuna. Vaikka kertoimet ovatkin uskomattoman pieniä, on tilastollinen mahdollisuus, että elektroni voitaisiin havaita lähellä pilven reunaa. Sieltä asiat alkavat muuttua outoiksi.
Elektronien todennäköisyyspilvi.
Kvantitunnelointi on hiukkasen, kuten elektronin, kyky kulkea heti esteen läpi. Jos energiaelementti on korkeampi kuin elektroni, ja elektroni lähestyy sitä, oletamme yleensä, että elektroni ei pysty siitä ylittämään. Itse asiassa useimmissa tapauksissa se on. Siitä huolimatta kukin elektroni käyttäytyy ajoittain täysin odottamatta. Harvoissa tapauksissa elektron esiintyy yksinkertaisesti esteen toisella puolella.
Kuinka tämä on mahdollista?
Elektronien todennäköisyyden luonteen vuoksi hetkessä, jolloin elektroni lähestyy estettä, todennäköisyyspilvessä on edelleen pieni mahdollisuus, että elektroni löytyisi esteen toiselta puolelta.
Todennäköisyyspilvi ja este.
Kun tämä pieni mahdollisuus toteutuu ja elektroni on toisella puolella, se tarkoittaa, että kvantitunnelointi on tapahtunut. Teknisesti elektroni ei läpäise esteen läpi, koska omituista kyllä, kvantitunneloinnin hetkellä elektronille ei ole aikaa, se tapahtuu heti. Tällä tavalla elektronit voivat heti voittaa korkeammat energiaesteet.
Tähdet ja kvantitunnelointi
Vaikka tämä saattaa kuulostaa hyvin omituiselta ja jopa mahdottomalta tapahtumalta, se on todella tärkeä elämälle maan päällä sellaisena kuin me sen tiedämme. Aurinko ja kaikki tunnetut tähdet pystyvät loistamaan kvantitunneloinnin kautta.
Ydinfuusion seurauksena valo ja lämpö vapautuvat aurinkoon. Kaksi atomin ydintä, molemmat positiivisesti varautuneet, törmäävät uuden elementin muodostamiseen, ja tässä prosessissa fotonit vapautuvat. Ongelmana on kuitenkin, että koska molemmat ytimet ovat positiivisesti varautuneita, ne hylkivät toisiaan, samoin kuin magneettien samat magneettinavat. Tämä tarkoittaa, että on olemassa energiaeste, jonka ytimet täytyy ylittää sulautuakseen. Kuten matematiikka osoittaa, auringon ytimillä ei kuitenkaan ole tarpeeksi energiaa tämän esteen voittamiseksi. Ainoa tapa tehdä tämä mahdolliseksi on erittäin harvinainen tapaus kvanttunneloinnista.
Ironista kyllä, kvanttunneloinnilla voi olla myös haitallisia seurauksia. Kvanttibiologian mukaan, joka tarkastelee eläviä järjestelmiä kvantiteorian näkökulmasta, DNA-mutaatiot voivat tapahtua protonitunnelointiin kutsutussa prosessissa.
Jos DNA replikoituu tämän kvanttunneloinnin aikana, voi tapahtua mutaatio. On myös muita tapauksia kvantitunnelointimutaatioista, joiden tutkijat uskovat aiheuttavan syöpää. Oli jopa olettamus, että tämän takia elävät asiat ikääntyvät.
On outoa ajatella, että mikä antaa Auringon paistaa ja tarjota elämää maan päällä, voi olla myös syy siihen, että kaikki luonnossa ikääntyy, rappeutuu ja kuolee. Ilman kvantitunnelointia elämä, kuten tiedämme, olisi mahdotonta.